电子产品设计报告-数字频率合成器.doc

南京信息职业技术学院电子产品设计报告作者 学号 28 系部 电子信息学院 专业 电子信息工程技术 题目 数字频率合成器 指导教师 完成时间： 2013 年 6 月 22 日 电子产品设计报告摘要数字频率合成器：摘要：本文研究对琐相式数字频率合成器的设计开发。本机电路可较精确稳定的实现（00009999）1KHZ 、（00009999）2KHZ 、（00009999）4KHZ的方波信号合成功能。包含晶体振荡器、1/M分频器、锁相环和可编程1/N分频器等单元电路。其中，1/M分频器通过对晶振的、分频分别得到1KHZ、2KHZ、4KHZ的基准信号，然后通过锁相环和可编程1/N分频器对其进行N倍倍频得到输出方波信号。电路设计过程中利用计算机辅助软件Protel DXP进行绘图与仿真，并对电路进行了测试、调试。整机电路能够正常工作并基本满足技术指标要求关键词：锁相环 分频器 时基信号发生器 目录1 绪论12 元器件选择与计算12.1 时基信号发生器12.2.锁相环电路22.3 可编程1/N分频器72.4 理论数据83 数字频率合成器的工作原理93.1 整机电路图93.2 整机电路的工作原理分析94 电路安装和调试144.1电子产品的安装布线原则144.2电子产品的焊接154.3电子产品调试步骤164.4产品的故障检测20总结参考文献221 绪论频率合成技术起源于二十世纪三十年代,经过几十年的发展已经成为现代通信系统的重要组成部分,在无线电技术与电子系统的各个领域中均得到广泛的应用,在现代通信系统中具有重要的地位,合成频率信号质量的好坏直接决定了电子通信系统的整体性能。频率合成技术自提出以来,经过几十年的发展逐渐形成四种主要的合成方法:直接频率合成技术(DS)、间接频率合成技术(PLL)、直接数字频率合成技术(DDS)和混合式频率合成技术12。低相位噪声、高频谱纯度、小步进跳变、高输出频段、快速跳变的频率合成器已成为主要的发展趋势。直接频率合成技术形成于 20 世纪 30 年代,它将单个或多个基准信号经过混频、倍频、分频和滤波的不同组合来实现算术运算,合成所需的频率3。直接频率合成是一种经典的方法,最终输出信号的相位噪声取决于基准频率,具有高频率转换速率、高分辨率、低相位噪声和高输出频率等优点。缺点是结构复杂,因为在系统中为了得到多个频点,必须大量使用混频和倍频模块,又没有 PLL 等器件对信号进行处理,系统需要很多滤波器去抑制交调和谐波干扰,导致其电路复杂且成本较高。正是因为这些缺点,直接频率合成技术已经很少被单独使用。20 世纪 60 年代末 70 年代初出现了锁相环式间接频率合成技术,并在当今电子系统中普遍使用。锁相式频率合成技术是一种基于反馈控制原理来实现频率合成的方法,其优点是具有很宽的频率范围、良好的杂散抑制性能、输出频谱纯度高、输出频率易于控制,它的主要缺点是频率转换时间长、实现跳频困难,若要实现小步进,则会使得输出频谱的相位噪声指标恶化,实现高频率分辨率也较困难。锁相环式频率合成器主要由鉴相器(PD)、环路滤波器 (LPF)、压控振荡器(VCO)三个部分组成。2 元器件选择与计算2.1 时基信号发生器8KHZ时钟信号发生器电路3.1，它由14级二进制计数器CD4060及32.768MHZ晶体等元件组成。CD4060脚的外接元件构成振荡器，其振荡频率32.768MHZ，微调电容C2可精确调节此频率。该振荡信号经CD4060的212分频后，在CD4060的脚输出8KHZ的方波信号。将8KHZ的方波信号通过74LS293异步4位二进制计数器。该信号作为时钟信号从74LS293的脚输入，后经2次、4次、8次分频分别得到4KHZ, 2KHZ,1KHZ的基准电压从脚输出。图3.12.2.锁相环电路锁相环（PLL）是一个相位误差控制系统，利用反馈控制原理实现频率及相位的同步技术。锁相环通过比较输入信号和压控振荡器输出频率之间的相位差，产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频。1、锁相环路的组成锁相环路的基本组成框图如图4-3所示。它由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成。其中，PD和LF构成反馈控制器，而VCO就是它的控制对象。（1）鉴相器（PD）鉴相器的组成框图如图4-4所示，它是一个相位比较装置。它把输入信号和压控振荡器的输出信号的相位进行比较，产生对应于两信号相位差的误差电压。（2）环路滤波器（LF）在锁相环路中，环路滤波器实际上就是一个低通滤波器，其作用是滤出除鉴相器输出的误差电压 中的高频分量和干扰分量，得到控制电压 ，常用的环路滤波器有RC低通滤波器、无源比例积分滤波器及有源比例积分滤波器等。 （3）压控振荡器（VCO）压控振荡器是振荡频率 受控制电压 控制的振荡器。实际上是一种电压-频率变换器。可以通过改变控制电压 来改变压控振荡器的频率。压控振荡器频率 随控制电压 变化的曲线称为压控特性曲线。压控特性曲线一般为非线性，如图4-9所示。如图4-92、锁相环路的基本特性（1）捕捉与锁定特性若锁相环路原本处于失锁状态，由于环路的调节作用，最终进入锁定状态，这一过程，称环路捕捉过程。在没有干扰的情况下，环路一经锁定，其输出信号频率等于输入信号频率。（2）自动跟踪特性若环路原本处于锁定状态，由于温度或电源电压的变化，使VCO输出频率变化，或者输入信号频率变化，通过环路自动相位控制作用，使VCO相位（频率）不断跟踪输入信号的相位（频率），这个过程称跟踪过程，或同步过程。（3）锁相环路的捕捉带与同步带环路能捕捉的最大起始频差范围称捕捉带或捕捉范围，记作fP。环路所能跟踪的最大频率范围称同步带，记作fH。当Df0DfP时，环路将不能锁定。当Df0DfH时，环路将不能跟踪。一般有DfHDfP。 3、常用集成锁相环路CD4046简介CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V18V），输入阻抗高(约100M)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600W，属微功耗器件。CD4046是带有RC型VCO的锁相环路，属于低频锁相环路。采用 16 脚双列直插式，图4-11为CD4046的内部功能框图和构成锁相频率合成器时的外围元件连接图。从图中可以看出，CD4046主要由相位比较、压控振荡器（VCO）、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。芯片内含有一个低功耗、高线性VCO，两个工作方式不同的鉴相器PDI和PDII，A1为PDI和PDII的公用输入基准信号放大器，源跟随器A2与VCO输入端相连是专门作FM解调输出之用的，此外还有一个6V左右的齐纳稳压管。 各引脚功能如下：1脚相位输出端，环路入锁时为高电平，环路失锁时为低电平。2脚相位比较的输出端。3脚比较信号输入端。4脚压控振荡器输出端。5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。6、7脚外接振荡电容。8、16脚电源的负端和正端。9脚压控振荡器的控制端。10脚解调输出端，用于FM解调。11、12脚外接振荡电阻。13脚相位比较器的输出端。14脚信号输入端。15脚内部独立的齐纳稳压管负极。（1）鉴相器PDI和PDIICD4046芯片内的鉴相器PDI是一个数字逻辑异或门，由于CMOS门输出电平在0VDD之间变化。所以只要用简单的积分电路就可以取出平均电平，因而使锁项环路的捕捉范围加大。该鉴相器主要应用在调频波的解调电路中。PDII是一个由边沿控制的数字比相器和互补CMOS输出结构组成的三态输出式鉴相器。由于数字比相器仅在ui和uv的上跳边沿起作用，因而该鉴相器能接收任意占空比的输入脉冲，即非常窄的脉冲。PDII的工作过程可用图4-12所示波形图来表示。14脚ui信号出现上跳变时，13脚也上跳输出高电平，3脚uv信号出现上跳变时，13脚下跳输出低电平；ui、uv同时触发时，13脚呈现高阻状态。因此，PDII可以使uv和ui严格同步，它常被应用在锁相频率合成器中。采用PDII的锁项环其锁定范围等于捕捉范围，与环路滤波器关系不大。（2）压控振荡器VCO CD4046内部的VCO是一个电流控制型振荡器，其振荡频率与控制电压Ud之间的关系可以用下式表示： 式中VGS为耗尽型NMOS三极管的源栅间导通压降，约0.5左右，VDS为耗尽型PMOS管的漏源饱和压降，约为1V左右。式中的第二项为常数项，也就是VCO的最低振荡频率fomin。当R4的增大到12脚开路时，fomin减小至零。式中第一项为Ud的函数，当R310kW时。f0与Ud基本呈直线性关系。VCO的fomin与Ct及R4的关系可用图4-13所示曲线表示。由图中可知，若已知fomin、VDD，且确定R4以后，就可以从图中曲线查得所需Ct值如图4-13当Ud =VDD时，VCO维持在最高振荡频率fomax已知fomin、fomax和Ct以后，就可以由上式中求得R3值。实践中，为微调f0的范围，R3往往采用一只固定电阻和一只可调电阻相串联。2.3 可编程1/N分频器可编程分频器采用74HC40102，它是作为专用减计数器的HS COMS。74HC40102是BCD减计数器，它由双回路构成，因此，它可以由BCD码设定十进制2位的分频系数（099）。而方案要求4位分频系数，因此需要两块74HC40102级联，如下图示。2.4 理论数据晶体振荡器的频率为32.768MHZ，因此当Fr =1KHZ、2KHZ 、4KHZ时1/M分频器应该分别是、分频。根据方案设计要求，计算661-670KHZ10个点的频率合成方案。当fR =1KHZ时，频率合成器输出的频率范围f0分别为（00009999）1KHZ，因此可实现的频率有661,662,663,664,665,666,667,668,669,670。其中可编程分频器的分频比N为频率本身。当fR =2KHZ时，频率合成器输出的频率范围f0分别为（00009999）2KHZ, 因此可实现的频率有662,664,666,668,670。其中中可编程分频器的分频比N分别为331,332,333,334,335。当fR =4KHZ时，频率合成器输出的频率范围f0分别为（00009999）4KHZ, 因此可实现的频率有664,668。其中中可编程分频器的分频比N分别为166,167。3 数字频率合成器的工作原理3.1 整机电路图3.2 整机电路的工作原理分析根据数字电路式的晶体振荡器稳定度高的特点利用石英晶体振荡器发出频率的稳定方波，频率为fS；之后通过1/M分频器可输出频率分别为1KHz、2KHz、4KHz的方波；通过选择开关选定其中的一个频率是进入锁相环相位比较器的频率fR；继而通过由相位比较器、低通滤波器和压控振荡电路构成的锁相环，在输出端产生输出电压f0；这个频率又进入范围控制在09999的1/N分频器输出压控振荡电路的频率f0/N，用此频率与fR相比较进而逼近fR，达到锁相的目的。1.参考振荡器的工作原理参考振荡器可采用门电路（74LS系列或CD系列）与标称石英晶体构成振荡器。石英晶体振振器的电路符号、等效电路、电抗曲线如图4-14所示。图4-14从石英晶体谐振器的电抗特性可以看出，在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，它呈电感性。因而石英振荡器可以工作于感性区，也可以工作于串联谐振频率上，但不能使用容性区。根据晶体在振荡电路中的不同作用，振荡电路可分为两类：一类是石英晶体在电路中作为等效电感元件使用，这类振荡器称为并联型晶体振荡器；另一类是把石英晶体作为串联谐振元件使用，使它工作于串联谐振频率上，称为串联型晶体振荡器。2.参考分频器的工作原理二-五-十进制计数器74390逻辑符合和逻辑功能图4-17中的计数器为二五十进制异步计数器，在一片74LS390集成芯片中封装了2个二五十进制的异步计数器。所谓二五十进制异步计数器是由一个二进制计数器和一个五进制计数器组合而成的，每个二五十进制分别有各自的清零端CLR。如需实现十进制计数器功能应将Q0与CP1相连或将Q3与CP0相连。这两种连接方式是构成的十进制计数器计数的结果相同，但其编码结果不同，如图4-18图4-183.可变分频器和分频比控制器的工作原理逆计数器CD4510CD4510是4位加/减法的十进制计数器，计数器的方向由控制输入端U/D控制。当U/D为高电平时，则为加法计数器，当U/D为低电平时，则为减法计数器。4、由两片74390计数器构成4000分频器电路，产生1KHz基准参考信号。电路接线图如图4-19所示。图中输入信号为4MHz方波信号，输出为1KHz方波信号。5.消抖动电路的工作原理基本RS触发器虽然电路简单，但具有广泛的用途。图4-24（a）是在时序电路中广泛应用的消抖动开关电路的原理电路。6数码显示电路的工作原理数码显示电路如图4-25所示。由共阴极七段数码器LC5011和显示译码器。图4-26为LC5011的管脚图和逻辑符号。4-27为CD4511的管脚图和逻辑符号。CD4511的功能真值表如表4-2所示。4 电路安装和调试4.1电子产品的安装布线原则1、根据元器件的形状和电路板的面积合理布置元件的密度（1）用不同颜色的塑料导线表示电路中不同作用的连接线（2）元器件布置在印制板的元件面，尽可能不要在焊接面布置元器件或连接线（3）相邻元器件就近安置，做到布置合理、密度适中（4）输入回路要远离输出回路（5）有电磁耦合的元器件应该进行自身屏蔽（6）发热的元器件应靠边安装在散热条件好的地方，半导体器件、热敏元件或电解电容等应该远离发热部件。（7）工作频率较高的电路，连线要短，并且元器件应该就近放置。（8）各种可调的元器件应该安装在便于调整的地方，所有元器件的标志一律向外。2、底线的布置要求公共底线是所有信号共同使用的通路，如果元器件布置或走线不当，则有可能通过地线将输出信号、感应信号、纹波信号耦合到其他电路中去，使电路性能变差，甚至产生寄生振荡。因此，合理布置地线对改善电路性能和提高电路工作的稳定性有重要的作用。（1）地线可以迂回走线在实际应用中，地线往往会环绕印制板一周，为了减小地线的阻抗，要求地线要粗一些。（2）地线有屏蔽作用 在实际应用中，可以利用地线将前级电路和后级电路相互隔开，以减少前后级电路之间的耦合。4.2电子产品的焊接焊接是使金属连接的一种方法。它利用加热等手段，在两种金属的接触面，通过焊接材料将两种金属永久地连接在一起。在电子产品制造过程中，很多焊接方法都要用到，但应用最普遍、最具有代表性的是锡焊。锡焊属于钎焊中的软钎焊，通常把钎料称为焊料，采用铅锡合金作为焊料，施焊的零件通称焊件，一般情况下指金属零件。1、锡焊的条件 为了提高焊接质量，必须注意掌握锡焊的条件：（1）被焊接的金属材料具有良好的可焊性（2）被焊金属表面应保持清洁（3）使用合适的助焊剂（4）具有适当的焊接温度（5）具有合适的焊接时间2、锡焊的原理锡焊是在空气中和高温下进行的，通过焊接可以把金属接合到一起。锡焊过程可分为三个变化阶段：润湿阶段、扩散阶段、接触面上产生金属化合物的阶段。3、手工锡焊的步骤手工烙铁焊接可分为基本的五步操作法和节奏快的三步操作法。初学者学习正确的手工焊接操作，一般采用五步操作法，如图3-8所示。五步操作法:步骤一：准备施焊。步骤二：加热被焊件。步骤三：送入焊丝。步骤四：移开焊锡丝。步骤五：移开烙铁。4.3电子产品调试步骤1、调试工艺为了保证电子产品的调试质量，在确保产品调试工艺文件完整的基础上，对调试工作一般应该有以下要求：（1）调试人员的要求。（2）环境的要求。（3）仪器仪表的放置和使用。（4）技术文件和工装准备。（5）被测件的准备。（6）通电调试要求。对于较复杂的大中型电子产品，其调试程序为：（1）通电前的检查工作。（2）电源调试。（3）各单元电路的调试。（4）整机调试。2、单元部件调试单元部件的调试是整机总装和调试的前提，其调试效果直接影响到产品质量，它是整机生产过程中的重要环节。单元部件的调试一般可以分为静态测试与调整、动态测试与调整。静态工作状态是一切电路的工作基础，如果静态工作点不正常，电路就无法实现其特定电气功能。静态工作点的调试就是在无输入信号的前提下，调整各级的工作状态，测量其直流工作电压和电流是否符合设计要求。因为测量电流时，需要将电流表串接入电路中，连接起来不方便；而测量电压时，只需要将电压表并联在被测电路两端。所以静态工作点的测量一般都是只进行直流电压的测量，如需要了解电流的情况，可以根据欧姆定律通过电阻阻值进行计算。（1）供电电源静态电压测试。（2）测试单元电路静态工作电压。（3）晶体管的静态电压测试。（4）集成电路静态工作点的测试。测试静态工作点正常后，便可进行动态波形、频率调试。动态测试与调整的项目包括动态工作电压、波形的形状、幅度和周期、动态输出功率、相位关系、频带、放大倍数、动态范围等。这种测试的目的是保证电路各项参数、性能、指标符合技术要求。（1）电路动态工作电压的测试。（2）电路中重要波形的幅度和频率。（3）频率特性的测试与调整。在电子产品调试中，频率特性的测量时一项重要的测试技术。频率特性的测量方法一般采用扫频法。扫频法是将扫频仪的输入端和输出端分别加到被测电路的输入端和输出端，在扫频仪上可以观察到电路对各频率点的响应。因为信号发生器的输入频率是连续扫描的，因此，扫频法简单、快速，而且不会漏掉被测频率特性的细节。3、整机调试整机调试是为了保证整机的技术指标和设计要求，把经过动静态调试的各个部件组装在一起进行相关测试，以解决单元部件调试中不能解决的问题。整机调试一般有以下几个步骤：（1）整机外观检查。整机外观检查主要检查外观部件是否完整，拨动是否灵活。以收音机为例，检查天线、电池夹子、波段开关、刻度盘等项目。（2）整机的内部结构检查。内部结构检查主要检查内部结构装配的牢固性和可靠性。例如：电视机电路板与机座安装是否牢固；各部件之间的接插线与插座有无虚接；尾板与显像管是否插牢。（3）整机的功耗测试。整机功耗是电子产品设计的一项重要技术指标。测试时通常用调压器对整机供电，即用调压器将交流电压调到220V，测试正常工作整机的交流电流。4.测试结果4.4产品的故障检测1、电子产品的故障电子产品的故障，指的是由于一个或者多个元器件的损坏，或者由于类似元器件损坏的其他损害（如安装、焊接错误，印制电路板连线的断裂等）而造成的电路系统功能的错误。2、电子产品的故障产生的原因（1）设计电路时忽视了元器件的参数和工作条件在设计电子产品电路时，未考虑所使用元器件的参数和特性等，如不同种类集成电路之间的电平配合，逻辑电路的时间延迟，电路的极限电流、耐压，电路动作的边沿选择等等。（2）元器件、印制电路板的损坏电子产品电路通常由很多元器件和集成电路组成，准备时元器件筛选不严格使其中有坏件，或者印制电路板用以连接的连线出现断裂，或者由于排版不合理元器件相碰